站間通信延時對換相失敗與恢復(fù)特性的影響

辛超山，余 金，周紅蓮，高貴亮，尹純亞

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司 經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引 言

基于LCC（Line-Commutated Convert, LCC）的特高壓直流（Ultra-High Voltage Direct Current, U-HVDC）在長距離、大容量輸電上具有巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢[1-2]。作為LCC-UHVDC 最常見的故障，換相失敗及其恢復(fù)特性的功率、電流大幅度波動是威脅交直流混聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定運行的主要因素[3-4]。

隨著特高壓直流輸電的電壓等級、輸電距離以及輸電容量的不斷提升，整流站與逆變站之間的通信交互時間也會隨之增大[5]，站間通信延時對換相失敗及其恢復(fù)特性的影響不容忽視。

現(xiàn)有關(guān)于換相失敗方面的研究主要集中在換相失敗影響因素、連續(xù)換相失敗以及換相失敗預(yù)防措施方面。

在換相失敗影響因素方面，文獻(xiàn)[6]通過建立關(guān)斷角模型，得出直流電流上升與交流系統(tǒng)電壓降低是影響換相失敗的主要影響。除此之外，文獻(xiàn)[7-11]分別分析了諧波、故障發(fā)生時刻、故障合閘角、交流系統(tǒng)電壓下降速度、逆變側(cè)控制類型對換相失敗影響；文獻(xiàn)[12-13]得出直流閉鎖可能引發(fā)健全直流換相失敗的風(fēng)險。但以上研究都未提及站間通信延時對換相失敗的影響。

在首次換相失敗恢復(fù)方面的研究多集中在直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗分析與抑制措施上。

文獻(xiàn)[14-15]分別通過對低壓限流控制、電流偏差控制進(jìn)行改進(jìn)，提出了抑制連續(xù)換相失敗的措施。

文獻(xiàn)[16]得出直流系統(tǒng)在首次換相失敗之后，逆變側(cè)控制系統(tǒng)交互不當(dāng)是引發(fā)連續(xù)換相失敗的主要原因；文獻(xiàn)[17-18]分別研究了單相跳閘、鎖相環(huán)對連續(xù)換相失敗的影響。

文獻(xiàn)[19]分析了直流系統(tǒng)故障恢復(fù)過程中可能存在的換相失敗風(fēng)險。但以上研究都認(rèn)為在首次換相失敗恢復(fù)過程中，直流系統(tǒng)會出現(xiàn)連續(xù)換相失敗的風(fēng)險，并未考慮站間通信延時對首次換相失敗恢復(fù)特性的影響。雖然文獻(xiàn)[5]在附錄中仿真分析了通信延時對所提控制策略的影響，但并未進(jìn)行深入探討。

為研究站間通信延時對換相失敗及恢復(fù)特性的影響，本文首先分析換相失敗的影響因素，基于CIGRE HVDC 標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)建立考慮延時影響的運行曲線，分析通信延時對首次換相失敗的影響；其次，通過對不同延時進(jìn)行分類，分析首次換相失敗后不同延時對系統(tǒng)恢復(fù)的影響；最后基于PSCAD 仿真軟件搭建不同延時下的仿真模型，對理論分析進(jìn)行驗證。

1 站間通信延時對換相失敗的影響分析

1.1 換相失敗影響因素

逆變器關(guān)斷角過小是導(dǎo)致?lián)Q相失敗的主要原因，因此當(dāng)逆變器實際關(guān)斷角γ小于換相所需的最小關(guān)斷角γmin時，認(rèn)為發(fā)生換相失敗，γ可表示為：

式中：β為逆變器超前觸發(fā)角；φ為換相電壓過零點偏移角；Ti為逆變側(cè)換流變壓器變比；Id為直流電流；XCi為逆變側(cè)換相電抗。

由式（1）可以看出，逆變側(cè)換流母線電壓降低、直流電流增大是影響逆變器換相失敗的主要原因。當(dāng)γ小于γmin時，逆變器發(fā)生換相失敗，在本文中將γmin=7.2°作為逆變器換相失敗判據(jù)。

1.2 站間通信延時對換相失敗的影響分析

直流輸電線路一般比較長，如±1 100 kV 吉泉直流線路長度達(dá)到3 200 km，即使在最理想的情況下，信號從逆變側(cè)到達(dá)整流側(cè)的時間也會達(dá)到10 ms。再加上信號處理、中繼器等的影響，整流站與逆變站通信交互每1 000 km 通常耗時20～30 ms，本文考慮將每1 000 km耗時設(shè)為25 ms，且考慮到實際直流線路長度，因此直流輸電距離所帶來的通信延時（td）在0～75 ms 之間。另一方面，為了使經(jīng)VDCOL 限制后的直流電流指令值平穩(wěn)變化，VDCOL 的投入與退出都設(shè)置有不同的時間常數(shù)，設(shè)VDCOL 投入（對應(yīng)于直流電壓下降）時的典型時間常數(shù)為Td，退出（對應(yīng)于直流電壓上升）時的典型時間常數(shù)為Tu。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的直流電壓可表示為：

式中：ULr為整流側(cè)換流母線電壓；Udr為整流側(cè)直流電壓；XCr為整流側(cè)換相電抗。

根據(jù)式（2）可知，當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓降低時，會引起Udi降低，從而引起直流電流上升，此時逆變側(cè)交流電壓降低與直流電流的上升將會共同作用引起關(guān)斷角降低。由于直流電壓降低，VDCOL 計算得到的直流電流指令值也會降低。

當(dāng)整流站與逆變站間無通信延時，降低的直流電流指令值可直接送往整流側(cè)定電流控制器，整流側(cè)觸發(fā)角快速上升，根據(jù)式（2），整流側(cè)直流電壓（Udr）快速下降，直流電流可快速降低。

當(dāng)整流站與逆變站間有延時影響時，整流側(cè)定電流控制無法及時接收到直流電流指令值，會導(dǎo)致整流側(cè)直流電流目標(biāo)值滯后于原系統(tǒng)，直流電流指令值仍然維持在故障前的值（1 p.u.），整流側(cè)定電流控制器輸入ΔIdr會偏小，導(dǎo)致整流側(cè)觸發(fā)角上升不足；整流側(cè)直流電壓仍然會維持在一個較高的值，即在交流系統(tǒng)故障初期，站間通信延時會對直流電流有助增作用。根據(jù)式（1）可知，直流電流的進(jìn)一步增大會引起關(guān)斷角的進(jìn)一步降低，增大換相失敗風(fēng)險。

2 站間通信延時對換相失敗恢復(fù)特性的影響

在直流系統(tǒng)首次換相失敗期間，直流電壓與直流功率短時降為0，由于VDCOL 作用，直流電流會維持在一個較低的值；由于定關(guān)斷角控制的作用，在換相失敗恢復(fù)的瞬間，關(guān)斷角與觸發(fā)超前角將會維持在一個很大的值。

當(dāng)首次換相失敗之后，直流系統(tǒng)開始恢復(fù)，直流電壓從0 開始上升，直流電流指令值也會隨之上升，直流功率逐漸開始恢復(fù)。

對于CIGRE HVDC 系統(tǒng)，由于直流電流指令值在恢復(fù)期間大于直流電流實際值，因此CEC 控制的輸入為正，CEC 控制開始起作用，增大定關(guān)斷角控制的輸入，逆變側(cè)維持在定關(guān)斷角控制。當(dāng)不考慮站間通信延時，VDCOL 投入與退出時的時間常數(shù)對直流電流指令值的影響如圖1 所示。

圖1 考慮VDCOL 時間常數(shù)影響的直流電流指令值

圖1中：Td1表示直流電壓下降階段的時間常數(shù)；Tu1、Tu2、Tu3分別為直流電壓上升階段的不同時間常數(shù)，且Tu3＞Tu2＞Tu1；tf為逆變器故障發(fā)生時刻；tT，max為VDCOL 啟動電壓為0.9 p.u.的時間；tT，min為VDCOL 啟動電壓為0.4 p.u.的時間。下標(biāo)d 表示直流電壓降低階段；下標(biāo)u表示直流電壓上升階段；下標(biāo)0 表示未考慮VDCOL 時間常數(shù)；下標(biāo)1、2、3 分別表示Td1與Tu1、Tu2、Tu3時間常數(shù)下的影響。

由圖1 可以看出，當(dāng)VDCOL 有時間常數(shù)時，會改變原有的VDCOL 控制特性，在直流電壓下降階段與直流電壓上升階段都會導(dǎo)致直流電流指令值的延遲，且隨著時間常數(shù)的增大，直流系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)的時間越長。

在圖1 的基礎(chǔ)上考慮站間通信延時，在直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)階段會導(dǎo)致整流側(cè)控制接收上升的直流電流指令值不及時，整流側(cè)電流指令值與逆變側(cè)電流指令值存在以下兩種情況：

1）整流側(cè)直流電流指令值仍然大于逆變側(cè)直流電流指令值；

2）整流側(cè)直流電流指令值小于逆變側(cè)直流電流指令值。

將圖1 所示的VDCOL 時間常數(shù)的影響考慮在內(nèi)，VDCOL 啟動電壓下降到0.9 p.u.的時間為tTd，max，啟動電壓下降到0.4 p.u.的時間為tTd，min，啟動電壓上升到0.4 p.u.的時間為tTu，min，啟動電壓上升到0.9 p.u.的時間為tTu，max。在此情況下，整流側(cè)直流電流指令值與逆變側(cè)直流電流指令值的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 不同站間通信延時影響下的直流電流指令值

圖2中：td1、td2與td3分別表示不同的通信延時，在本文中用工況1、工況2、工況3 表示。

當(dāng)站間通信延時為td1時（工況1），整流側(cè)直流電流指令值恒大于逆變側(cè)直流電流指令值，系統(tǒng)存在穩(wěn)定運行點，可以快速恢復(fù)。

當(dāng)站間通信延時為td2（工況2），逆變側(cè)直流電流指令值（Idref，i）開始上升時，整流側(cè)直流電流指令值（Idref，r）保持不變，Idref，r與Idref，i相等的點（如圖1中的A點與B點），在其對應(yīng)的[tA，tB]時間內(nèi)，Idref，i大于Idref，r。首先CEC控制動作，逆變側(cè)維持在定關(guān)斷角控制，整流側(cè)處于定電流控制，系統(tǒng)無法建立穩(wěn)定運行點，實際直流電流維持在較低水平；隨著Idref，i上升，逆變側(cè)電流偏差變大，促使逆變側(cè)切換為定電流控制，此時整流側(cè)與逆變側(cè)同為定電流控制，實際直流電流會在Idref，r與Idref，i之間波動上升，逆變側(cè)直流電流偏差逐步減少，在CEC 的作用下，逆變側(cè)又會切換至定關(guān)斷角控制。在B點之后，Idref，r大于Idref，i，此時系統(tǒng)可以建立穩(wěn)定運行點，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行。因此，當(dāng)通信延時為td2情況時，會導(dǎo)致直流系統(tǒng)恢復(fù)變慢。

當(dāng)站間通信延時為td3時（工況3，td3＞tTu，min），在換相失敗初始階段，Idref，r仍然為1 p.u.，此時Idref，r大于Idref，i，直流系統(tǒng)可以快速恢復(fù)到故障前的值，但由于之后Idref，r會不斷下降，整流側(cè)定電流控制會將直流電流降低，受此影響，直流電壓也會隨之降低，VDCOL 會再次動作重新輸出直流電流指令值。

因此直流電流會呈現(xiàn)先上升后降低再上升、降低的趨勢，隨著整流側(cè)定電流控制器電流偏差不斷變小，直流系統(tǒng)會經(jīng)歷數(shù)個波動（直流電流先上升后降低）達(dá)到穩(wěn)定。

因此，此通信延時情況下會導(dǎo)致直流系統(tǒng)在恢復(fù)過程中的直流電流、直流電壓、直流功率不斷波動，不僅影響直流恢復(fù)速度，也會對交流系統(tǒng)造成不斷沖擊。

綜上所述，隨著站間通信延時的增大，直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)特性會變差，通信延時一方面會延長直流系統(tǒng)的恢復(fù)時間；另一方面可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)電氣的大幅度波動，影響交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3 算例分析

基于PSCAD/EMTDC 仿真軟件，搭建CIGRE 直流系統(tǒng)模型。VDCOL投入與退出時的時間常數(shù)分別為10 ms與20 ms，分別選取通信延時td為0 ms、25 ms、50 ms 與75 ms 進(jìn)行仿真分析。

算例1：設(shè)置故障電阻為210 Ω，故障持續(xù)時間為0.05 s，三相短路故障下的關(guān)斷角、逆變側(cè)直流電流、直流電壓、直流功率仿真波形如圖3 所示。其余直流電氣量仿真波形如圖4、圖5 所示。

圖4 不同通信時延下超前觸發(fā)角仿真波形（Rf=210 Ω）

圖5 不同通信延時下直流電流指令值、整流側(cè)直流電壓、直流電流功率仿真波形（Rf=210 Ω）

由圖3可以看出：逆變側(cè)換流母線發(fā)生電阻為210 Ω的三相短路故障，td為0 時，關(guān)斷角未降低到最小關(guān)斷角，直流電壓未短時降為0，逆變器未發(fā)生換相失?。划?dāng)td為25 ms、50 ms 與75 ms 時，直流電壓短時為0，直流電流與直流功率大幅度波動，逆變器均發(fā)生了換相失敗。仿真結(jié)果驗證了站間通信延時會增大換相失敗風(fēng)險，與前文分析結(jié)果一致。

圖3 不同通信延時下的關(guān)斷角、直流電流、直流電壓、直流功率仿真波形（Rf=210 Ω）

通信延時的影響使得系統(tǒng)無法快速恢復(fù)到故障之前的穩(wěn)定值，當(dāng)td為25 ms、50 ms 時，其換相失敗恢復(fù)趨勢總體保持一致，處于圖2 中的工況2 情況，故未引起直流電氣的劇烈波動，直流系統(tǒng)會逐步緩慢恢復(fù)正常運行。

隨著通信延時的增大，當(dāng)td為75 ms 時，此時處于圖2 中的工況3，系統(tǒng)無法快速建立穩(wěn)定運行點，直流電流、直流電壓、直流功率呈現(xiàn)周期性衰減的波動過程，并在波動中緩慢達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)。

算例2：設(shè)置故障電阻為10 Ω，故障持續(xù)時間為0.05 s，三相短路故障下的關(guān)斷角、逆變側(cè)直流電流、直流電壓、直流功率仿真波形如圖6 所示。

不同通信延時下超前觸發(fā)角仿真波形（Rf=10 Ω）如圖7 所示。

不同通信延時下直流電流指令值、整流側(cè)直流電壓、直流電流功率仿真波形（Rf=10 Ω）如圖8 所示。

圖8 不同通信延時下直流電流指令值、整流側(cè)直流電壓、直流電流功率仿真波形（Rf=10 Ω）

本文定義直流電流恢復(fù)時間（Current Recovery Time, CRT）來表征直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)速度；CRT 為故障后直流電流恢復(fù)到95%正常運行值（0.95 p.u.）的時間。算例1 與算例2 在不同延時下的直流系統(tǒng)換相失敗恢復(fù)時間（CRT）如表1 所示。

從圖6 的仿真結(jié)果可以看出，四種通信延時下逆變器都發(fā)生了換相失敗。結(jié)合表1 結(jié)果與圖3 仿真結(jié)果，與無通信延時的仿真結(jié)果相比得出，隨著通信延時的增大，直流系統(tǒng)從換相失敗中恢復(fù)到穩(wěn)定運行的時間會變長，當(dāng)td為75 ms 時，算例1 與算例2 分別 需 要 經(jīng)過0.621 3 s 與0.571 4 s 才能恢復(fù)正常運行；而算例2 中未考慮延時的情況下，直流系統(tǒng)只需要經(jīng)過0.326 5 s 就能恢復(fù)正常運行。

圖6 不同通信延時下的關(guān)斷角、直流電流、直流電壓、直流功率仿真波形（Rf=10 Ω）

表1 不同延時的系統(tǒng)恢復(fù)時間

算例2 的仿真結(jié)果與算例1 類似，當(dāng)通信延時對換相失敗恢復(fù)的影響處于工況2 時，只會延緩直流系統(tǒng)的恢復(fù)速度；當(dāng)處于工況3 時（td=75 ms），不僅系統(tǒng)恢復(fù)速度變慢，還會引起恢復(fù)期間直流電流、直流電壓、直流功率的大幅度、長時間波動。工況3 下的影響比工況2 的影響更為嚴(yán)重。

綜上所述，通信延時一方面會降低逆變器關(guān)斷角，增大換相失敗的風(fēng)險；另一方面，也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點，使得系統(tǒng)無法快速恢復(fù)。

直流系統(tǒng)恢復(fù)較慢及可能引起的波動將會對交流系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的沖擊。

4 結(jié) 論

在交流系統(tǒng)故障初期，站間通信延時會導(dǎo)致整流側(cè)定電流控制的直流電流指令值滯后，呈現(xiàn)出對直流電流有助增作用而無法及時地降低直流電流，從而增大換相失敗風(fēng)險。通信延時對換相失敗恢復(fù)特性的分析結(jié)果表明：通信延時會阻礙直流系統(tǒng)從換相失敗中恢復(fù)，隨著通信延時的增大，直流系統(tǒng)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)的時間也越長；當(dāng)站間通信延時處于工況3 時，會引起直流系統(tǒng)恢復(fù)過程中電氣量的劇烈波動，呈現(xiàn)周期性衰減振蕩特性?；贑IGRE HVDC 的仿真結(jié)果驗證了本文分析結(jié)果的正確性。相關(guān)結(jié)論可為特高壓直流換相失敗預(yù)防措施、交直流系統(tǒng)交互影響分析提供理論依據(jù)與參考。